酸堿脅迫對鳳仙花種子萌發及幼苗生長生理的影響

張永福，董翠蓮，韓 麗，莫麗玲，牛燕芬，姚麗媛

(昆明學院農學院，云南昆明 650214)

植物正常生長發育需要一個良好的土壤環境，土壤中鹽分過高、重金屬超標、過酸或過堿、過干或過濕等逆境均不利于植物的生長發育。目前，土壤酸化和鹽堿化現象日益嚴重，已經成為世界性的環境問題，一方面由于工業發展和人類干擾，汽車尾氣和工業廢棄物的大量排放而產生的酸性降雨使土壤酸化，對植物的株高和地徑產生影響[1]，使城市園林植物的觀賞性降低；另一方面，隨著人類活動干擾及環境的惡化，鹽堿面積不斷增加，我國鹽堿化土壤面積已達到9 913萬hm2[2]。如何減輕土壤酸化、鹽堿化對園林花卉的危害，使城市中受到污染的土壤能夠栽培上適合的園林花卉，是當前城市園林綠化部門面臨和亟需解決的問題，確定植物的耐酸堿性，探明酸性、堿性土壤對植物生長生理的影響，培育和選用適應性強的園林花卉，是開發利用酸化土地和鹽堿地最直接、最有效的途徑。近年來，針對不同pH值對植物生長反應、生理生化變化等的影響已有一些研究報道[3-5]。

鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)為鳳仙花科鳳仙花屬一年生草本植物，因民間常用其花、葉染指甲，別稱指甲花。鳳仙花在我國各地庭院廣泛栽培，是常見的園林觀賞花卉，其土壤適應性、抗逆性較強，栽培管養方便，其莖入藥有祛風濕、活血、止痛之效，種子有軟堅、消積之效[6]。目前，鳳仙花主要用種子繁殖，對逆境脅迫下鳳仙花種子萌發過程中生理生化變化的研究主要集中在鹽脅迫、溫度脅迫、水分脅迫等方面[7-15]，而對酸堿脅迫的研究鮮見報道。本試驗以鳳仙花種子為研究材料，分別使用pH值為1～13的溶液進行培養，測定種子發芽指標、幼苗形態指標、幼苗營養物質及膜脂過氧化系統指標，探討酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長生理的影響，確定鳳仙花能夠正常生長發育的酸堿度，為鳳仙花在酸化或堿化土壤中的栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

鳳仙花種子，來源于云南省昆明市。

1.2 試驗設計

試驗于2015年5月進行，挑選粒大、飽滿的鳳仙花種子，用蒸餾水浸泡2 h后放入墊有3層定性濾紙的培養皿中，每個培養皿均勻放入50粒種子；分別倒入10 mL pH值為1～13的溶液，pH值為1～13的溶液用濃度均為0.1 mol/L的HCl和NaOH配制，用pH計進行微調；于26 ℃恒溫培養箱中進行培養，每個pH值處理200粒種子，重復3次，每隔1 d更換1次培養皿中的濾紙和不同pH值的溶液。

1.3 測定內容和方法

從處理的第2天開始每天測定1次發芽率，第6天開始從每個培養皿中隨機取20株小幼苗，測定其生物量、幼苗根長、幼苗株高、幼根數量和可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛、過氧化氫含量及氧自由基產生速率、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性。生物量用精確度為0.01 g的天平稱量，幼苗種子根長、株高用直尺測量；可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛、過氧化氫含量分別采用苯酚-硫酸法、酸解法、考馬斯亮藍G250顯色法、酸性茚三酮顯色法、分光光度法、硫酸鈦-濃氨水法測定；超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、氧自由基產生速率分別采用氮藍四唑光反應法、愈創木酚-雙氧水顯色法、對氨基苯磺酸-α-萘胺顯色法測定[16-17]。統計發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數，計算公式如下：

發芽勢=規定時間內發芽達到高峰期的種子發芽總數/供試種子數×100%；

發芽率=規定時間內種子發芽總數/供試種子數×100%；

發芽指數(GI)=(Gi/Di)；

活力指數(VI)=GI×S。

式中：Gi為第i天的發芽數，個；Di為發芽時間，d；S為幼苗的株高，cm。用3 d內的發芽總數計算發芽勢，用6 d內的發芽總數計算發芽率。

1.4 數據統計分析

采用SPSS 20.0對數據進行統計分析，采用Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 酸堿脅迫對鳳仙花種子發芽的影響

種子活力是種子品質的一項重要指標，由種子發芽率、出苗率、幼苗生長情況及抗逆性組成。由表1可知，不同pH值處理對鳳仙花種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數有一定的影響；pH值為3～11處理的鳳仙花種子發芽勢相對較高，均在80%以上，且相互間差異不顯著，pH值為2、12處理的鳳仙花種子發芽勢在70%以上，pH值為1、13處理的鳳仙花種子發芽勢極低，其中pH值為1時的發芽勢為0；pH值為2～11處理的鳳仙花種子發芽率相對較高，均在85%以上，且相互間差異不顯著，pH值為1、13的鳳仙花種子發芽率低于10%，顯著低于其他處理(P<0.05)；發芽指數的變化規律與發芽率相似，pH值為3～11處理的鳳仙花種子發芽指數均在77以上，且相互間差異不顯著，而pH值為1、13的鳳仙花種子發芽指數均低于5，其中pH值為1時的發芽指數相對最低，僅為1.67。

活力指數是種子發芽速率與生長量的綜合反映，也是測定種子活力的重要指標。由表1可知，pH值為5～12處理的鳳仙花種子活力指數均在187以上，顯著高于其他處理(P<0.05)；pH值為1、2、13處理的鳳仙花種子活力指數則顯著低于其他處理(P<0.05)，其中以pH值為1的最低，其活力指數僅為0.95。由此可見，pH值為2～11處理對鳳仙花種子的萌發影響不大，但pH值為2處理的鳳仙花種子活力指數相對較低，種子萌發后幼苗容易夭折，難以成苗；pH值為12處理的鳳仙花種子萌發率相對稍低，但其活力指數較高，幼苗能夠健壯成長；pH值為1、13處理的鳳仙花種子幾乎不能萌發成苗。因此，pH值為3～12的溶液適用于鳳仙花種子的萌發。

表1 酸堿脅迫對鳳仙花種子發芽的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.2 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長的影響

由表2可知，堿處理(pH值>7)能夠促進鳳仙花生物量的累積；隨著pH值的上升，鳳仙花幼苗的生物量逐漸增加，pH值為10～12處理的鳳仙花幼苗生物量顯著大于其他處理(P<0.05)；pH值為3、4處理的鳳仙花幼苗生物量顯著小于其他酸堿脅迫處理，而這2個處理相互間差異不顯著；堿性脅迫處理有利于鳳仙花幼苗根系的生長，而酸性脅迫則抑制其根系的生長，pH值5～12處理的鳳仙花幼苗根長顯著大于其他2個處理，而pH值為3處理的鳳仙花幼苗根長顯著小于其他處理(P<0.05)；堿脅迫處理的鳳仙花幼苗株高高于酸脅迫處理，pH值為9～12處理的鳳仙花幼苗株高顯著高于其他處理，而pH值為3、4處理的鳳仙花幼苗株高顯著低于其他處理；中性、堿性條件有利于鳳仙花幼根數量的增加，而酸性條件則不利于其幼根數量的增加，pH值為6～12處理的鳳仙花幼根數量明顯多于其他處理，pH值為3處理的鳳仙花幼根數量相對最少。由此可見，堿性條件有利于鳳仙花生物量的累積，可促進幼根生長、幼苗長高和幼根數量的增加。

表2 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長的影響

注：由于pH值為1、2、13處理的鳳仙花種子活力指數極低，并未獲得正常幼苗，因此只對pH值為3～12處理的鳳仙花幼苗進行生長、營養物質含量等其他指標的測定分析。

2.3 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗營養物質含量的影響

由表3可知，pH值為6～8處理的鳳仙花幼苗淀粉含量顯著高于其他處理，pH值為11、12處理的鳳仙花幼苗淀粉含量則顯著低于其他處理(P<0.05)，而pH值為3、4、9、10處理的鳳仙花幼苗淀粉含量相互間差異不顯著；pH值為8、9處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量顯著高于其他處理，pH值為12處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量顯著低于其他處理(P<0.05)，而pH值為3～7和pH值為10處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量相互間差異不顯著；pH值為3～8處理的鳳仙花幼苗可溶性蛋白含量相差不大，相互間差異不顯著，pH值為12處理的鳳仙花幼苗可溶性蛋白含量顯著低于其他處理；pH值為 5～8處理的鳳仙花幼苗游離脯氨酸含量顯著高于其他處理，而pH值為11、12處理的則顯著低于其他處理；溶液pH值為7時，鳳仙花幼苗的淀粉、游離脯氨酸含量相對最高，分別為 6.85 mg/g、58.15 μg/g，溶液pH值為9時鳳仙花幼苗的可溶性糖含量、pH值為6時鳳仙花幼苗的可溶性蛋白含量相對最高，分別為8.54、3.57 mg/g，隨著酸、堿度的增加，有機營養物質含量下降，pH值為12時，鳳仙花幼苗4種營養物質含量整體上顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗營養物質含量的影響

2.4 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗膜脂過氧化系統的影響

由表4可知，酸堿脅迫對鳳仙花膜脂過氧化系統產生一定的影響；隨著酸堿度的增加，鳳仙花幼苗丙二醛、過氧化氫含量總體上呈增加趨勢，SOD活性呈下降趨勢，pH值為7處理的鳳仙花幼苗丙二醛、過氧化氫含量顯著低于其他處理，pH值為3、12處理的鳳仙花幼苗丙二醛含量及pH值為12處理的鳳仙花幼苗過氧化氫含量顯著高于其他處理，pH值為6、7處理的鳳仙花幼苗SOD活性顯著高于其他處理(P<0.05)；pH值為7～12處理的鳳仙花植株氧自由基產生速率隨著堿度增加呈逐漸上升趨勢，而隨著酸度的增加(pH值由7降至3)，鳳仙花植株氧自由基產生速率呈先上升后下降趨勢，pH值為5、12處理的鳳仙花植株氧自由基產生速率顯著大于其他處理，而pH值為7處理的氧自由基產生速率為12.33 μmol/(min·g)，顯著低于其他處理；隨著pH值的增加，鳳仙花幼苗POD活性呈上升趨勢，pH值為12時的鳳仙花幼苗POD活性相對最高，為 18.13 U/(mg·min)，顯著高于其他處理，而pH值為3時的POD活性相對最低，為 3.09 U/(mg·min)，顯著低于其他處理。可見，酸堿度增加對鳳仙花幼苗的膜脂過氧化系統會產生傷害，且隨著酸堿度的增加，其對鳳仙花幼苗的傷害程度加大。

表4 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗膜脂過氧化系統的影響

3 結論與討論

植物種子萌發是其生長發育的起點，溶液中的酸堿度將直接影響其萌發狀況。有研究發現，pH值為3.5～5.0的弱酸環境能促進小黑麥的種子萌發，但酸度增加到pH值為2.0時則其萌發受到明顯抑制[18]；pH值為5.0～6.5對光皮樺種子前期的萌芽速率有一定的促進作用，但當pH值降至4.5時，明顯抑制其萌發，且隨著酸性的增強，其發芽率、發芽勢等明顯降低，當pH值降至3.5時，已不能正常發芽[19]；pH值為7.5～8.5的弱堿性環境在一定程度上可抑制光皮樺種子的萌發，但影響不明顯，而隨著pH值上升，其發芽指標呈下降趨勢[19]。本研究發現，除pH值為1、13的處理可嚴重抑制鳳仙花種子萌發外，其他處理的鳳仙花種子發芽勢、發芽率均較高，pH值為2處理的種子活力指數較低，萌發后容易夭折，難以成苗，pH值為12處理的種子萌發率稍低，但活力指數較高，幼苗能夠健壯生長；pH值為3～12的溶液均適用于鳳仙花的種子萌發，其中以pH值為5～11的效果相對最佳，獲得的幼苗質量較好。

種子中貯藏的可溶性糖、蛋白質、淀粉等營養物質為種子萌發和幼苗生長提供了必需的能量和養料。種子萌芽時，胚根生出種皮后失去了種皮和蠟質層的保護，對酸堿脅迫最為敏感，最容易受到傷害，進而影響地上部的生長。有研究表明，弱酸或弱堿對光皮樺種子發芽率無顯著影響，但萌發種子生長受到抑制，從而影響幼苗的質量；隨著酸堿度的增加，光皮樺幼苗的根和芽生長受到的抑制作用增強[19]。本研究發現，與pH值為7的條件相比，pH值為3～6的酸性條件可不同程度地抑制鳳仙花幼苗生物量的積累、幼根和幼苗的生長，使幼根數量減少，pH值為8～12的堿性條件有利于其生物量的積累，促進了幼根和幼苗的生長，使幼根數量增加，且這種抑制或促進效應隨著酸堿度的增加而增強；pH值為6～8處理的鳳仙花幼苗淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量相對較高，隨著酸、堿度的增加，其營養物質含量逐漸下降；pH值為11、12處理的鳳仙花營養物質含量有大幅度降低，不利于其生長發育。

在正常情況下，植物體內的膜脂過氧化系統處于平衡狀態，自由基的產生與消除處于動態平衡，當植物受到逆境脅迫時，這種平衡受到破壞，抗氧化酶會表現出相應的應激反應[20-23]以緩解脅迫對生物膜系統的傷害。丙二醛是膜脂過氧化的產物，其含量直接反映細胞膜的受害程度。鳳仙花幼苗在pH值為6～9的環境中，體內丙二醛含量顯著低于其他處理，而隨著酸堿度的增加，鳳仙花幼苗丙二醛含量逐漸上升，說明pH值為6～9的溶液對鳳仙花幼苗傷害較小。楊洪雙等研究表明，在酸堿脅迫下，姬松茸的SOD活性有不同程度的升高，而POD活性呈先升高后降低再升高的趨勢[24]。本研究表明，在一定范圍內，隨著酸堿度的增高，鳳仙花幼苗的過氧化氫含量和氧自由基產生速率逐漸增加，SOD活性逐漸降低；隨著pH值的升高，鳳仙花幼苗POD活性呈上升趨勢。這表明酸堿度的增加對鳳仙花幼苗的膜脂過氧化系統產生傷害，且傷害的程度隨著酸堿度的增加而加大。

綜上所述，鳳仙花種子雖然在pH值為5～11的處理液中能很好地萌發，獲得的幼苗質量也較好，但綜合幼苗生長狀況、幼苗營養物質含量及膜脂過氧化系統來看，pH值為6～10的環境最適合鳳仙花的生長，這也說明鳳仙花是一種耐堿性較強的花卉，在園林綠化中可在土壤堿化較為嚴重的地區栽培。